“雙端封堵側(cè)漏技術(shù)”在探測大采深工作面煤層底板裂隙中的應(yīng)用

黃 彪，馮有利

(河南理工大學(xué)資源環(huán)境學(xué)院，河南焦作 454000)

0 前言

我國作為原煤開采量第一大國，煤炭資源豐富且地域分布遼闊，擁有良好的發(fā)展前景。同樣由于我國煤田水文地質(zhì)條件的相對(duì)復(fù)雜性，我國也是煤礦水害的易發(fā)區(qū)和災(zāi)難區(qū)。我國山西、河南、河北等地的華北型石炭二疊紀(jì)煤田煤系地層多為奧陶紀(jì)石灰?guī)r，巖溶發(fā)育，含水性能好;其次連接含水層與煤層之間的斷層、裂隙也是加重災(zāi)害發(fā)生的存在。區(qū)域內(nèi)的礦井在開采過程中都不同程度的受到底板以下承壓水的威脅。而且隨著采深的加深、開采水平方向的延伸、采面的擴(kuò)大。這種對(duì)礦井安全生產(chǎn)的威脅也將越來越大。

我國對(duì)煤層底板的研究起步比較晚［1］，最開始都是集中在一些淺部煤層進(jìn)行研究，相繼針對(duì)我國煤層存在的問題提出了一些有特色的理論方法。例如“數(shù)值模擬［2］”“相似材料模擬”和“塑性理論分析法［3］”?；诟鱾€(gè)理論的觀點(diǎn)和出發(fā)點(diǎn)不同又相繼出現(xiàn)諸多的研究方法，如張文泉等［4］采用的鉆孔注壓水法、王家臣等［5］的電剖面法、劉傳武等［6］經(jīng)行的鉆孔檢層法、劉盛東［7］結(jié)合孔中電法和聯(lián)合CT技術(shù)的測試手段等等。

1 “鉆孔雙端封堵側(cè)漏”裝置

鉆孔雙端封堵側(cè)漏裝置是近幾年由山東科技大學(xué)發(fā)明的專利技術(shù)，該裝置包含的主體部件有(圖1):注水操作臺(tái)、堵孔操作臺(tái)、鉆機(jī)和孔內(nèi)封堵器。其他的部件還有一些耐壓細(xì)徑導(dǎo)水軟管、軟管接口、鐵夾等，用以連接各主體部件。

圖1 雙端封堵測漏監(jiān)測儀裝置Fig.1 The machine of double sides seal for leaking

1.1 雙端封堵側(cè)漏裝置測試原理

“雙端封堵側(cè)漏裝置”工作原理的前提是巖層中存在裂隙。首先通過對(duì)孔內(nèi)封堵器經(jīng)行加壓膨脹，閉合將要測試的測試段形成一個(gè)獨(dú)立的小空間，在這個(gè)空間內(nèi)如果圍巖不存在裂隙，那么通過操作臺(tái)注入的高壓水就不會(huì)出現(xiàn)滲漏的現(xiàn)象，一旦存在裂隙，則注入水就會(huì)出現(xiàn)漏失從而反應(yīng)在操作臺(tái)上。

漏失量的大小反應(yīng)了圍巖內(nèi)裂隙的空間大小范圍。裂隙發(fā)育漏失量就會(huì)偏大，反之圍巖內(nèi)裂隙不發(fā)育或不受影響，漏失量就會(huì)偏小甚至為零。孔內(nèi)封堵器一般設(shè)計(jì)為1m，每測定完一個(gè)1 m長度的孔段后，將封堵器的膠囊卸壓，膠囊收縮復(fù)原，便可將封堵器移到下一個(gè)測段，繼續(xù)進(jìn)行封孔注水觀測，直到測完整個(gè)鉆孔。根據(jù)各段注水漏失量的變化情況確定裂隙發(fā)育規(guī)律與下界，以此探測確定底板巖層破壞規(guī)律。

1.2 技術(shù)關(guān)鍵

1.2.1 封堵膠囊

2703工作面推進(jìn)期間，先期的鉆孔會(huì)出現(xiàn)變形或踏孔的現(xiàn)象，孔壁難以做到絕對(duì)的光滑，保證不了封堵膠囊與圍巖摩擦出現(xiàn)破裂的情況，起不到封堵的效果;另外，單層的膠囊也很難承受得住較高的水壓，經(jīng)技術(shù)改造，在單層的膠囊外面設(shè)有限位保護(hù)層。選取內(nèi)外兩層膠囊時(shí)，內(nèi)層膠囊材料的起脹壓力控制在0.2MPa，外層膠囊材料起脹壓力高于這個(gè)數(shù)值，控制在0.6～1MPa。

1.2.2 注水閥門的操作

2703工作面采用的是同一根外接水源供水，一個(gè)壓水系統(tǒng)要同時(shí)完成封堵和注水兩個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，為確保兩者之間的協(xié)調(diào)，通過調(diào)節(jié)注水閥門的開啟和關(guān)閉，將其人為的分成兩個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)。具體操作既可以做到使膠囊起脹封住鉆孔首先形成一個(gè)密閉空間，再開啟注水操作臺(tái)往密閉空間內(nèi)注水。在向測漏孔注水時(shí)，保證孔內(nèi)的水壓始終低于膠囊內(nèi)的水壓，從而可以保證外界過大的水壓對(duì)封堵膠囊的影響，不會(huì)對(duì)膠囊的封堵作用起到破壞的作用。操作臺(tái)上的各種單向注水閥門存在不同的回差，采用氣門芯式注水閥門能很好的降低回差的大小，從而起到不錯(cuò)的試驗(yàn)效果。

1.2.3 導(dǎo)管與連接

實(shí)驗(yàn)中不可缺少的除各主體部分之外，還有起連接和導(dǎo)水作用的細(xì)徑耐壓軟管。

所選用的塑料軟管都改用的耐高壓的細(xì)徑軟管(圖2)，軟管的內(nèi)徑壁厚1.8mm，內(nèi)徑為12mm，外徑15.6mm。軟管中間層編織有24股纖維可抗高水壓，一般在2～4MPa。軟管接口最好能選擇螺旋紋類，盡量避免光滑接口。

2 城郊礦2703工作面底板破壞深度測

2.1 2703回采工作面概況

2703對(duì)拉工作面位于城郊煤礦東翼七采區(qū)。工作面整體為一寬緩的單斜構(gòu)造，工作面外段較平緩，煤層傾角1°～7°，里段煤層傾角較大，約6°～14°。工作面上膠帶順槽走向長1043m，下膠帶順槽走向長926m，軌道順槽走向長993m，傾斜長342.2m，面積325404m2。根據(jù)采區(qū)三維地震資料及巷道掘進(jìn)期間實(shí)際揭露情況，工作面二2煤賦存穩(wěn)定，煤厚最大3.52m，最小1.10m，平均2.77m，資源儲(chǔ)量108.52 ×104t，可采儲(chǔ)量103.10 ×104t。采煤方法為一次采全高的綜合長壁采煤法，工作面底板的地層結(jié)構(gòu)和巖性如表1所示:

表1 煤層底板結(jié)構(gòu)和巖性特征Table 1 The structure and lithology of the coal floor

2.2 鉆孔設(shè)計(jì)和施工要求

鉆孔的設(shè)計(jì)與施工除應(yīng)符合探測目的需要外.還有如下要求:

(1)鉆孔深度應(yīng)能保證超過預(yù)計(jì)的最大導(dǎo)水裂縫帶高度，而且需要進(jìn)入完整巖體一定深度。

(2)孔口位置應(yīng)設(shè)在預(yù)計(jì)的最大冒落帶范圍以外，以防孔口及淺部孔段垮落。

(3)鉆孔傾角在能夠施工的前提下應(yīng)盡量大一些，避免鉆孔穿過冒落帶，同時(shí)易于排碴洗孔，利于分封段封堵。實(shí)踐證明，傾角大一點(diǎn)的鉆孔，采后變形、塌孔的程度要小得多，這對(duì)需要保留的采前觀測孔尤為重要。

(4)鉆孔施工要盡量保證孔形端正、孔壁光滑，終孔后及時(shí)清渣掃孔。

本次實(shí)驗(yàn)中，選取ZK3作為分析對(duì)象，ZK3(圖2)的參數(shù)為:方位角 172°、俯角30°、孔深 80m、孔內(nèi)徑89mm。

圖2 ZK3剖面示意圖Fig.2 ZK3 profile sketch

在采前和開采到孔口附近都采集了相關(guān)的數(shù)據(jù)，ZK3的選擇基本滿足設(shè)計(jì)的要求，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可信度較高。

3 測試結(jié)果分析

在工作中，對(duì)ZK3進(jìn)行了采前和采后實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集并繪制成圖3，圖3是采面距鉆孔末端水平距離100多米外時(shí)測試的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這個(gè)時(shí)候回采對(duì)測試段的地層沒有影響，測試時(shí)存在注水漏失的現(xiàn)象，得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反映了原巖本身已經(jīng)存在的裂隙等。圖3中，可以將注水漏失曲線分為兩段:一段是沿鉆孔方向0～30m，即垂直煤層底板方向0～15m的范圍，在這個(gè)范圍段內(nèi)，存在一定規(guī)模的裂隙，這可能是由于前期巷道的掘進(jìn)造成的結(jié)果;而且明顯能夠看出:細(xì)粒砂巖中裂隙的發(fā)育程度要比砂質(zhì)泥巖中裂隙的發(fā)育程度好，說明煤層底板的巖性對(duì)裂隙的發(fā)育存在影響。另外一段是鉆孔后30～80m范圍，在這個(gè)范圍段內(nèi)沒有出現(xiàn)較為明顯的漏失，證明在垂直方向15m以下的巖層中并沒有明顯的裂隙發(fā)育。

圖3 巖層未受影響條件下注水漏失曲線Fig.3 The leaking curve of the uneffected condition

在煤層回采工作面回采至離ZK3鉆口30m附近時(shí)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，測試的技術(shù)手段和注水壓力等條件和第一次測試時(shí)保持一樣。測試的結(jié)果繪制成如圖4，圖中注水漏失曲線發(fā)生了較為明顯的變化。在鉆孔方向前30m范圍內(nèi)，注水漏失量的變化反而趨向于變小，這可能是因?yàn)樵诨夭傻倪^程中，一是頂板通過支護(hù)對(duì)底板施加的壓力;二是因?yàn)槊簩拥南?，更深層次的巖層鼓起對(duì)這段巖層施加的力，兩種力作用在煤層下淺部巖層上，造成這段巖層被擠壓壓實(shí)，裂隙減少。而在另外一段的30～80m范圍內(nèi)，受到的影響較大，尤其是30～70m范圍內(nèi)，裂隙發(fā)育強(qiáng)烈，注水漏失量較大，70m之后的10m范圍內(nèi)，雖然有裂隙的發(fā)育，但是卻急劇降低，到79m處趨向于0。

圖4 巖層受影響條件下注水漏失曲線圖Fig.4 The leaking curve of the effected condition

圖5是根據(jù)前后兩次數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比換算后確定的數(shù)據(jù)，即將采前獲得的數(shù)據(jù)作為初始值△1，采后的數(shù)據(jù)作為影響變動(dòng)后的影響值△2，運(yùn)用公式:

圖5 采前采后注水漏失變化曲線圖Fig.5 The leaking change curve from the beginning to the end

影響值Δ2-初始值Δ1=裂隙發(fā)育量

若裂隙發(fā)育量為正值，則說明回采期間受到影響，存在煤層底板裂隙發(fā)育或原有裂隙的擴(kuò)大加深;反之如果裂隙發(fā)育量為負(fù)值，則說明裂隙不發(fā)育。

4 結(jié)論

對(duì)最終數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)換算得到的煤層底板裂隙的發(fā)育程度曲線如下，總結(jié)出規(guī)律如下:

(1)回采過程中，煤層底板會(huì)受到工作面推進(jìn)的影響，集中發(fā)育在煤層底板垂直深度13～31m范圍段內(nèi)。

(2)煤層最大破壞深度在斜孔78、79m的深度，在垂直深度方向發(fā)育到煤層底板下39m處。

(3)煤層底板破壞受到底板巖性的影響較大，砂巖的裂隙發(fā)育程度較泥巖的裂隙發(fā)育程度高，在泥砂互層中，泥巖中漏失量普遍較砂巖中漏失量低。出現(xiàn)這種情況的可能性比較多:一是在相同的外力作用在泥巖和砂巖上時(shí)，兩者均破碎，但是泥巖有自我修復(fù)的特性;二是砂巖本身裂隙發(fā)育比較高，在外部作用力的施加下，更加促使裂隙的發(fā)育。

(4)煤層底板下10m左右的范圍內(nèi)，在圖上顯示這個(gè)范圍段的裂隙發(fā)育程度是比較低的，和煤層段的應(yīng)力重新分布有關(guān)系，可能導(dǎo)致近煤層面的一些裂隙被壓實(shí)消失。

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